秸稈糖蜜變廢為寶！人工光合細(xì)胞橫空出世，工業(yè)制造迎來新時(shí)代？

一根秸稈、一桶糖蜜廢水，加上陽光，就能生產(chǎn)出工業(yè)化學(xué)品、生物塑料乃至航空燃料。這聽起來像科幻，卻是中國科學(xué)家正在實(shí)現(xiàn)的事情。

3月10日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院研究員高翔團(tuán)隊(duì)聯(lián)合南京大學(xué)、上海交通大學(xué)的研究人員，在國際頂級(jí)期刊《自然·可持續(xù)發(fā)展》上發(fā)表了一項(xiàng)重要成果。他們成功構(gòu)建出一種人工光合工程細(xì)胞，讓原本對(duì)陽光"無感"的工業(yè)微生物，第一次真正學(xué)會(huì)了"用光造物"。

自然界中，植物和藻類依靠光合作用將陽光轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，但這套系統(tǒng)的光能利用率通常不到1%。而工業(yè)上常用的大腸桿菌、酵母等微生物根本不具備光合能力，只能"坐等"光合生物合成糖類，再以糖為原料發(fā)酵生產(chǎn)化學(xué)品。

這樣一條"太陽能→光合生物→糖→微生物→產(chǎn)品"的迂回路徑，每走一步都在損耗能量。整體光能利用率通常低于0.05%，大量本可轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品價(jià)值的能量，就這樣被一路消耗殆盡。

如果能跳過中間的光合生物環(huán)節(jié)，讓工業(yè)微生物直接調(diào)用太陽能，能源效率將有望實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍。這正是高翔團(tuán)隊(duì)此次研究的核心出發(fā)點(diǎn)。

要讓工業(yè)微生物直接用光，關(guān)鍵是給它們安裝一套能夠捕獲光子并將其轉(zhuǎn)化為電子的裝置。研究團(tuán)隊(duì)選擇了半導(dǎo)體納米材料來充當(dāng)這個(gè)角色。

他們?cè)O(shè)計(jì)了零維、一維、二維等多種形態(tài)的半導(dǎo)體納米材料，系統(tǒng)優(yōu)化其光吸收性能，從源頭提升光能轉(zhuǎn)化效率。最關(guān)鍵的創(chuàng)新在于，他們將二維半導(dǎo)體材料直接送入微生物細(xì)胞內(nèi)部，在細(xì)胞內(nèi)裝上了"人工捕光天線"。

這一"入胞式"設(shè)計(jì)的價(jià)值，在于它從根本上縮短了電子的傳輸距離。此前，大多數(shù)類似研究中，半導(dǎo)體材料都附著在細(xì)胞表面，光生電子需要穿越細(xì)胞膜才能參與胞內(nèi)的代謝反應(yīng)，這個(gè)跨膜傳遞的過程會(huì)造成顯著的能量損耗。而將材料直接置入細(xì)胞內(nèi)部，光生電子可以就近參與代謝，實(shí)現(xiàn)真正意義上的"內(nèi)部驅(qū)動(dòng)"。

讓無機(jī)半導(dǎo)體產(chǎn)生的電子與細(xì)胞內(nèi)有機(jī)代謝反應(yīng)有效對(duì)接，是這項(xiàng)研究需要攻克的另一個(gè)核心難題。

研究團(tuán)隊(duì)通過代謝組學(xué)與轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)關(guān)鍵線索：在光照條件下，焦磷酸硫胺素（TPP）相關(guān)代謝途徑顯著上調(diào)。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)證實(shí)，TPP在光生電子向生物能量分子轉(zhuǎn)化過程中扮演著至關(guān)重要的"橋梁"角色，它能促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)NAD(P)H與ATP這兩種核心能量分子的再生，從而將無機(jī)光電子與細(xì)胞的生命代謝系統(tǒng)高效耦合。

這意味著，研究團(tuán)隊(duì)不僅解決了"怎么捕光"的問題，還弄清楚了"光生電子如何變成細(xì)胞能用的能量"這一機(jī)制，為整套系統(tǒng)的可靠運(yùn)行提供了科學(xué)依據(jù)。

這套人工光合工程細(xì)胞在實(shí)驗(yàn)中展現(xiàn)出了可觀的產(chǎn)品多樣性。研究團(tuán)隊(duì)利用它成功合成了2,3-丁二醇（BDO）、生物塑料PHB和航空燃料前體α-法呢烯等多種高附加值產(chǎn)品，原料則是海藻提取物甘露醇、農(nóng)業(yè)秸稈水解液等廉價(jià)廢棄物。

更值得關(guān)注的是規(guī)模化驗(yàn)證結(jié)果。在5升發(fā)酵罐中，以工業(yè)糖蜜廢水為主要原料，BDO的產(chǎn)量達(dá)到30.71克/升。這一數(shù)據(jù)雖然距離真正的工業(yè)化生產(chǎn)仍有差距，但在實(shí)驗(yàn)室階段已足以證明該體系具備規(guī)模放大的技術(shù)潛力。

當(dāng)然，這項(xiàng)研究距離真正的大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用還有相當(dāng)長的路要走。半導(dǎo)體納米材料進(jìn)入活細(xì)胞后的長期穩(wěn)定性、材料本身的生物安全性、體系在更大發(fā)酵規(guī)模下的表現(xiàn)，都是需要持續(xù)攻克的工程難題。

但從更宏觀的視角來看，這項(xiàng)研究的意義已經(jīng)超越了單一的技術(shù)突破。它提供了一種將可再生太陽能與生物制造深度融合的新范式，為那些不依賴糧食作物的"廢碳升級(jí)"路線打開了一扇窗。

研究團(tuán)隊(duì)表示，下一步將進(jìn)一步拓展CO?、廢塑料及工業(yè)廢水等非糧碳源的高值化利用路徑。如果這一方向能夠持續(xù)推進(jìn)，未來的化工廠也許真的可以只靠陽光和廢料運(yùn)轉(zhuǎn)。